JP4494674B2

JP4494674B2 - 合成セグメント

Info

Publication number: JP4494674B2
Application number: JP2001214008A
Authority: JP
Inventors: 正人三宅; 健一郎今福; 径豊島
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2001-07-13
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2021-07-13
Also published as: JP2003027894A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールドトンネルの一次覆工体として用いられる鋼製または球状黒鉛鋳鉄製のセグメント構造にコンクリートを中詰めして構成される合成セグメントに係り、特に大深度トンネルの一次覆工体に好適した合成セグメントに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、シールドトンネルは大口径化および大深度化が進んでいる。大深度トンネルとは、通常、地下約４０メートル以上の地中に掘削するトンネルをいい、以下、本発明で大深度トンネルというときはこの意味で用いる。この大深度トンネルの掘削に際しても、従来は、通常のシールドトンネルの掘進に用いるのと同じ合成セグメントが用いられている。
【０００３】
合成セグメントとしては、例えば、特許第２６２９９１９号に示される合成セグメントが知られている。この先行特許に示されるごとく、これまでの合成セグメントは、鋼製の主桁と継手板と、トンネルの内外面となる２つの面に配置のスキンプレートの各部材を組立てセグメント枠体を構成し、前記スキンプレートに何らかのずれ止めを配置した上で、セグメント枠体内部にコンクリートを充填し、セグメント外面を覆う鋼材（スキンプレート様鋼材）と内部のコンクリートをずれ止めにより一体化して、鋼材とコンクリートの合成効果を発揮させるものであった。
【０００４】
しかし、セグメント外面がすべて鋼材（スキンプレート様鋼材）で覆われたセグメントの内部にコンクリートを密実に充填するには、非常な困難を伴うこと、また、コンクリートと鋼材（スキンプレート様鋼材）とを一体化させるために当該スキンプレートにずれ止めを配置する作業が煩雑であることなどの理由により、特開平９−１０５２９７号、特開平９−１４４４９１号などに示される合成セグメントでは、トンネルの内空側となる面のスキンプレートに開口率の大きい切欠きを設け、コンクリートの中詰め作業を容易にするよう工夫がなされている。
【０００５】
当然のことながら、特開平９−１０５２９７号、特開平９−１４４４９１号に示される合成セグメントは、特許第２６２９９１９号に示される合成セグメントに比較すると、トンネルの内空側となる面のスキンプレートに開口率の大きい切欠きを設けた分、鋼材（スキンプレート様鋼材）とコンクリートの合成効果が低減することとなる。
【０００６】
しかし、セグメント枠体の組立て、内部へのコンクリート充填作業を含めたセグメント全体の製作にかかる費用という面から考慮すれば、特開平９−１０５２９７号、特開平９−１４４４９１号に示される合成セグメントは、特許第２６２９９１９号に示される合成セグメントに比較すると、わずかながらではあるが、安価に製作することが可能であり、製品の品質の良否に関しても直接的に確認できるというメリットを有している。
【０００７】
また、特開平８−３２６４９１号に示される合成セグメントは、セグメントのトンネル内空側となる面にスキンプレートを配置しているが、セグメントのトンネル外面側となる面には、スキンプレートがなく、代わりにセグメント高さ方向でセグメントの内部となる位置に鋼材（スキンプレート様鋼材）を配置し、この鋼材にずれ止めを設置して合成効果を発揮させている。
【０００８】
前記のごとく、従来の合成セグメントは、セグメントのトンネル内空側およびトンネル外面側となる面にスキンプレート様の鋼材を配置し、この鋼材にずれ止めを配置して鋼材とコンクリートの合成効果を発揮させるものであった。
【０００９】
これらの合成セグメントは、鋼材（スキンプレート様鋼材）とコンクリートとのずれを無くすことで、鋼材とコンクリートの合成効果を発揮させるものであるが、ずれ止めの設置作業が煩雑なこと、セグメント内部にコンクリートを密実に充填する作業が困難なことなどから、従来、シールドトンネルの一次覆工体として用いられてきた鋼製セグメントまたは鉄筋コンクリート製セグメントまたはダクタイル製セグメントに比較すると高価なセグメントとなっていた。
【００１０】
また、スキンプレートとコンクリートを合成化するセグメントでは、曲げ力に対しては、スキンプレートが有効に作用するものの、圧縮力に対しては難しい。つまり、圧縮力に対してスキンプレートを有効に作用させるためには、圧縮力によりスキンプレートがはらみ出すのを防止する必要があり、特に、トンネルの内空側となる面のスキンプレートに開口率の大きい切欠きを設けたセグメントの場合、セグメント枠体内にコンクリートを封じ込めることでスキンプレートと一体化することが一層難しく、スキンプレートがはらみ出すのを防止するために、ますます多くのずれ止めを設置しなければならなかった。
【００１１】
つまり、従来のトンネルの内空側となる面のスキンプレートに開口率の大きい切欠きを設けた合成セグメントでは、セグメントに作用する曲げ力と圧縮力の比、曲げ力／圧縮力が大きい場合には有効であるが、曲げ力／圧縮力が小さい場合には、鋼材（スキンプレート様鋼材）とコンクリートを合成化する効果がなかなか得られない状況であった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近来のシールドトンネルの特徴は、大口径化の傾向と大深度化の傾向にある。大口径化のシールドトンネルにあっては、セグメントに作用する曲げ力／圧縮力大きくなる傾向があり、大深度化のシールドトンネルあっては、セグメントに作用する曲げ力／圧縮力が小さくなるという傾向がある。このように大口径化と大深度化の２つの傾向が現在同時に進行しているが、今後のシールドトンネルでは、大深度化の場合に前述の点が問題になる。
【００１３】
つまり、大口径トンネルでは前述のとおり、鋼材（スキンプレート様鋼材）とコンクリート合成化はそれほど問題にしなくてよいが、大深度シールドトンネルでは、大深度化による曲げ力／圧縮力が小さくなる傾向が増す、つまり、鋼材とコンクリートとのずれ止めによる合成効果が得られにくくなると考えられる。また、シールドトンネルの大深度化により地下水圧が従来に比して飛躍的に大きくなるため、従来のセグメントに比べ高い止水性が要求されるようになる。
【００１４】
さらに他の問題として、シールドトンネルの大口径化は、シールドマシンの大型化および大推力化を招き、これらの要求を満足できる新たな合成セグメントが求められているが、従来のＬ形状またはＴ形状の縦リブを具備した鋼製セグメントでは強度が不足し十分に対応できない。
【００１５】
すなわち、従来の鋼製セグメントは、主桁、継手板、スキンプレート、縦リブから構成されている。前述のように、縦リブは主としてＬ形状またはＴ形状のものが多く、シールドトマシンのジャッキ推力を受けることを目的としてジャッキ１本当たり２本の縦リブが配置され、かつ、土水圧を受けるスキンプレートの支点として設計され用いられているが、これでは、前述のとおり縦リブの強度が不足するのである。
【００１６】
本発明は、前記の課題を解決したもので、大深度用トンネルに好適するが、勿論、通常のトンネルにも適用できる合成セグメントを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するため、次のように構成する。
【００１８】
第１の発明は、シールドトンネルの覆工構造体を構成するセグメントであって、少なくとも２本の主桁と２つの継手板とスキンプレートを有し、かつ、複数本の略Ｈ形状のずれ止めが前記主桁間に設けられると共に、そのウェブをトンネルの中心方向に向けて配置され、前記ずれ止めの両端部が前記主桁に溶接され、前記２本の主桁と前記スキンプレートと、隣り合う前記ずれ止めのフランジとウエブとで囲まれた空間内にコンクリートが中詰めされたことを特徴とする。
【００１９】
第２の発明は、第１の発明における合成セグメントであって、当該セグメントの主桁の桁高さｈに対して、Ｈ形状のずれ止めがｈの０．８〜５．０倍の間隔で配置されたことを特徴とする。
【００２０】
第３の発明は、第１または第２の発明における合成セグメントであって、当該セグメントの主桁と継手板の何れか一方または、両方にフランジ部材を有することを特徴とする。
【００２１】
【作用】
本発明の合成セグメントのずれ止めは、Ｈ形状を有することで、従来の鋼製セグメントにおけるＬ形状やＴ形状の縦リブでは得られない大きな特徴を有している。すなわち、ずれ止めが断面Ｈ形状をなしているため、主桁とＨ形状のずれ止めにおけるフランジとウェブに囲まれた中詰めコンクリートは完全に拘束されることになり、セグメントに強大な圧縮、曲げ力が作用した場合においても、中詰めコンクリートの内部に確実に圧縮力が発生することとなる。
また、スキンプレート３を介して中詰めコンクリート６に作用する土水圧は、Ｈ形状をしたずれ止め４のトンネル内空側のフランジ４ｂとウェブ４ａを介して、主桁に伝達される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１〜図３によって本発明を説明する。
【００２３】
図１、図３は、合成セグメントの中央部位置の長手方向縦断面図、図２は、主桁内側面位置の長手方向縦断面図を示す。当該合成セグメントは、少なくとも２本の主桁１と、２つの継手板（図に表れない）と、スキンプレート３と、両主桁１間に配設され、かつ、継手板方向に所定間隔離して配設されるＨ形状のずれ止め４とから構成されている。
【００２４】
ずれ止め４におけるウェブ４ａはトンネルの中心方向に向けて配置され、一方のフランジ４ｂはスキンプレート３と接して配設され、他方のフランジ４ｃは主桁１の一側縁と略同じ高さに設けられている。また、セグメントの主桁１の桁高さｈに対して、Ｈ形状のずれ止めは、ｈの０．８〜５．０倍の範囲内の間隔Ｗで配置する。さらに、セグメントの主桁１と継手板２の何れか一方または、両方にフランジ部材を設けることがある。
【００２５】
前記のように構成されたセグメント枠体において、隣り合うずれ止め４における内空側のフランジ４ｃ間の間隙５から、主桁１と継手板とスキンプレート３とずれ止め４で形成されるセグメント内空間に、中詰コンクリート６が充填されている。
【００２６】
前記構成において、中詰コンクリート６は硬化した後は、隣り合うフランジ４ｃと隣り合うウェブ４ａとスキンプレート３で開口部が絞られた袋状の空間に閉じ込められた態様となり、合成セグメントに圧縮力または曲げ力が作用する場合には中詰めコンクリートに確実に圧縮力が発生する。
【００２７】
すなわち、図１において、合成セグメントにせん断力が作用すると、隣り合うＨ形状のずれ止め４のフランジ４ｂ、４ｃとウェブ４ａの隅角部７を固定点として中詰コンクリート６に図示矢印（イ）の向い合う力が作用し、当該中詰コンクリート６に斜線領域で示す圧縮斜材（ロ）が形成され、セグメント枠体を変形させる力に抵抗する。
【００２８】
また、この圧縮斜材（ロ）の反力として、Ｈ形状のずれ止め４のウェブ４ａに図示矢印（ハ）の引張力が発生するとともに、主桁１には図２に矢印（ニ）で示すように、隣り合うＨ形状のずれ止め４のフランジ４ｂ、４ｃとウェブ４ａの隅角部７であって、中詰コンクリート６の圧縮斜材（ロ）の固定点でない点に向かう引張力が発生し、前記の圧縮力および引張力の釣り合いによりセグメント枠体を変形させる力に抵抗するのである。
【００２９】
図３は、Ｈ形状のずれ止め４が所定の間隔で複数設けられた合成セグメントにおいて、矢印（ホ）方向の荷重を載荷した場合に、セグメントに作用するせん断力に抵抗して中詰コンクリート６に発生する圧縮力と主桁に発生する引張力の関係を示している。
【００３０】
すなわち、図３において、内空側から矢印（ホ）方向のかけたとき、中詰コンクリート６が充填された各Ｈ形状のずれ止め４間には、向い合う矢印が発生する楕円で示す中詰コンクリート６中の圧縮域（ヘ）と、反対向きの矢印で示す鋼材中の引張域（ト）が形成され、圧縮域（ヘ）と引張域（ト）が合成されて、結果的に、せん断に抵抗する領域（チ）と曲げに抵抗する領域（リ）が形成され、全体として中詰コンクリート６とＨ形状のずれ止め４を介して中詰コンクリート６と主桁との一体化が図られて、合成セグメントにせん断力が作用し、その結果、合成セグメントに作用する曲げ力が変化しても中詰コンクリート６に発生する圧縮力および主桁１に発生する引張力が変化して一体として作用力に抵抗するのである。
【００３１】
本発明は前述のように機能し、合成セグメントに作用する曲げモーメントが変化する場合には、必ずせん断力が作用しているが、Ｈ形状のずれ止め４と中詰コンクリート６および主桁１により確実に前記のせん断力に抵抗することができる、すなわち、曲げモーメントに抵抗することが可能になっている。
【００３２】
この点に関し、従来の鋼製セグメントにコンクリートを中詰めするだけの場合には、コンクリート中に確実に圧縮斜材を形成することができなかったため、合成セグメントにはなり得なかったのである。
【００３３】
そして、従来の合成セグメントがスキンプレートにずれ止めを配置することで、鋼材（スキンプレート様鋼材）とコンクリートの合成効果を発揮させていたのと比較し、本発明の合成セグメントは、Ｈ形状のずれ止め４を用いるだけで、鋼材とコンクリートの合成効果を発揮させることが可能であり、安価に高性能な合成セグメントを提供することが可能となっている。
【００３４】
本発明の合成セグメントは、前記の作用により鋼材とコンクリートの合成効果を発揮するため、Ｈ形状のずれ止め４の仕様（フランジ厚さ、ウェブ厚さなど）は、せん断力に対して設計すればよい。
【００３５】
また、本発明の合成セグメントでは、セグメントリング組立てに際し、シールドマシンのジャッキ推力に対しては、中詰めコンクリート６により抵抗することを基本とするが、大口径トンネル等において、大型シールドマシンのジャッキ推力が大きい場合には、Ｈ形状のずれ止め６を推力部材の一部として考慮することができる。
【００３６】
さらに、合成セグメントに作用する土水圧は、中詰めコンクリート６を介してＨ形状のずれ止め４のトンネル内空側のフランジ４ｃに伝達されるので、トンネル外面に配置するスキンプレート３は、止水材の機能のみを発揮できればよい。
【００３７】
【実施例】
以下本発明の実施例を、図４〜図８を参照して説明する。
【００３８】
図４〜図７は、実施例１に係る合成セグメント１０を示す。この合成セグメント１０は、溝形鋼からなりコ字状開口部を対向させた主桁１１と、主桁１１の両端に固着した鋼板からなる継手板１２と、前記主桁１１間に設けられるとともに、所定の間隔をあけて継手板１２と平行に設けた複数本の略Ｈ形状のずれ止め１４と、セグメント外側（地山側）に配置され、主桁１１と継手板１２と略Ｈ形状のずれ止め１４によって支持されたスキンプレート１３とからセグメント本体が構成され、このセグメント本体内に中詰コンクリート１６が充填されている。
【００３９】
さらに説明すると、スキンプレート１３は薄鋼板からなり、溝形鋼製の主桁１１の一方のフランジ１１ａとＨ形状のずれ止め１４の一方のフランジ１４ｃに当接し、この当接部を隅肉溶接し、継手板１２は主桁１１の端部に当てがって溶接するとともに、外端縁をスキンプレート１３の端部内側面に固定している。Ｈ形状のずれ止め１４はそのウェブ１４ａをトンネル中心方向に配設し、その高さは、主桁１１の高さｈと略等しく設けられている。
【００４０】
Ｈ形状のずれ止め１４と溝形鋼製の主桁１１の取り合いは任意でよいが、図示例では、Ｈ形状のずれ止め１４のフランジ１４ｂ、１４ｃの両端部を主桁１１のフランジ１１ａ、１１ｂの幅と同じ長さだけカットし、フランジ１４ｂ、１４ｃがカットされたウェブ端部１４ｄを、溝形鋼製の主桁１１の両フランジ１１ａ、１１ｂ、ウェブ１１ｃで囲まれる内側に差し込み、その両側を隅肉溶接する。この時、ずれ止め１４のフランジ１４ｂ、１４ｃの端縁は、溝形鋼製の主桁１１の両フランジ１１ａ、１１ｂの内端縁と接しており、その当接部を溶接する。主桁１１と継手板１２には、セグメント間およびリング間の継手用ボルトの挿入孔１８が開設されている。なお、嵌合継手でセグメント間およびリング間を結合することがあり、この場合は、ボルトの挿入孔１８は必要としない。
【００４１】
前記のようにして構成されたセグメント本体における、隣り合うずれ止め１４の間の比較的大きい間隙１５から中詰コンクリート１６をセグメント内に容易に充填し、合成セグメント１０を完成する。こうして製作された合成セグメント１０にせん断力が作用し、各部材に圧縮力や引張力が作用したとき、セグメント内に充填された中詰コンクリート１６が、Ｈ形状のずれ止め４と主桁１１とで拘束され、結果、各部材と中詰コンクリート１６の一体化が一層強固になり、隣り合うＨ形状のずれ止め１４のフランジ１４ｂ、１４ｃとウェブ１４ａの隅角部１７を固定点として、中詰コンクリート１６が圧縮力に抵抗すると共に、主桁１１が引張力に抵抗し、合成セグメント１０の剛性と強度が向上する。
【００４２】
なお、前記合成セグメント１０において、主桁１１と継手板１２の一方または両方を、Ｈ形状のずれ止め１４と同じＨ断面形状の鋼材で構成し、あるいは平板の鋼材で構成してもよい。
【００４３】
セグメント桁高さｈとずれ止めの間隔Ｗは、１：１、１：２、１：４等任意の寸法関係に設定するとよい。
【００４４】
図８（Ａ）、（Ｂ）は、実施例２を示す。この実施例２は、本発明を矩形断面のトンネル用の合成セグメント１０ａに実施した例が示されている。つまり、実施例２の合成セグメント１０ａは全長がフラットである点が、実施例１の円弧状をなす合成セグメント１０と相異している。Ｈ形状のずれ止め１４の断面形状および、その他の構成は実施例１と同じであるので、実施例１と同等要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００４５】
【発明の効果】
本発明に係る合成セグメントによれば、主桁とＨ形状のずれ止めにおけるフランジとウェブに囲まれた中詰めコンクリートは完全に拘束されることになり、鋼材とコンクリートとが強固に一体化され、従来の合成セグメントに必要であったスキンプレートの内面に設けるジベル筋、突起部材等のコンクリートとスキンプレートの一体化をより強固にするためのずれ止めを無くことが可能であり、さらに、セグメントのトンネル内空側からコンクリートを中詰めすることが可能になることから、従来の合成セグメントに比較して、安価で高性能な合成セグメントを実現することが可能となる。
【００４６】
また、Ｈ形状のずれ止めで堅牢に支持されるスキンプレートは、大深度に建設されるシールドトンネルに作用する大水圧に対しても、止水を完璧に行い、安全かつ経済的に大深度のシールドトンネルを建設することが可能となる。さらに、セグメントリングの組立てに際し、ジャッキ推力が大きい場合には、Ｈ形状のずれ止めを推力部材の一部として考慮することができるので、大口径のトンネル用セグメントにも適している。
さらに、Ｈ形状のずれ止めを用いている場合には、トンネル内空側からトンネルの外向きに中詰めコンクリートに作用する力を主桁に伝達することも可能である。
【００４７】
さらに、Ｈ形状のずれ止めの代わりにＴ形状のずれ止めを用いた場合であっても、スキンプレートを介して中詰めコンクリートに作用する土水圧を、Ｔ形状のずれ止めにより主桁に伝達することが可能であり、この場合にはスキンプレートの厚さにより合成セグメントとして設計する場合または鋼製セグメントとして設計する場合がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の合成セグメントにせん断力が作用した場合に鋼材とコンクリートに発生する引張力と圧縮力の関係を示す合成セグメントの中央部位置の長手方向縦断面図である。
【図２】図１の引張力と圧縮力が発生した場合において、主桁に発生する引張力を示す合成セグメントの主桁内側面位置の長手方向縦断面図である。
【図３】本発明の合成セグメントに荷重を載荷してせん断力を作用させたときに発生する、引張力と圧縮力の関係を示す合成セグメントの中央部位置の長手方向縦断面図である。
【図４】実施例１に係るセグメントのトンネル内空側から見た一部破断斜視図である。
【図５】図４の中央部長手方向の断面図である。
【図６】図４の幅方向の断面図である。
【図７】主桁とずれ止めの接合関係を示す説明斜視図である。
【図８】（Ａ）は、実施例２に係るセグメントのトンネル内空側から見た一部破断斜視図、（Ｂ）は、図（Ａ）の中央部長手方向の断面図である。
【符号の説明】
１主桁
２継手板
３スキンプレート
４Ｈ形状のずれ止め
４ａフランジ
４ｂフランジ
５間隙
６中詰コンクリート
７隅角部
１０合成セグメント
１１主桁
１１ａフランジ
１１ｂフランジ
１１ｃウェブ
１２継手板
１３スキンプレート
１４ずれ止め
１５間隙
１６中詰コンクリート
１７隅角部
１８ボルト挿通孔

Claims

シールドトンネルの覆工構造体を構成するセグメントであって、少なくとも２本の主桁と２つの継手板とスキンプレートを有し、かつ、複数本の略Ｈ形状のずれ止めが前記主桁間に設けられると共に、そのウェブをトンネルの中心方向に向けて配置され、前記ずれ止めの両端部が前記主桁に溶接され、前記２本の主桁と前記スキンプレートと、隣り合う前記ずれ止めのフランジとウエブとで囲まれた空間内にコンクリートが中詰めされたことを特徴とする合成セグメント。
請求項１記載の合成セグメントであって、当該セグメントの主桁の桁高さｈに対して、Ｈ形状のずれ止めがｈの０．８〜５．０倍の間隔Ｗで配置されたことを特徴とする合成セグメント。
請求項１および２または、その何れか１項に記載の合成セグメントであって、当該セグメントの主桁と継手板の何れか一方または、両方にフランジ部材を有することを特徴とする合成セグメント。